大體積混凝土裂縫的成因及防治

1、.大體積混凝土裂縫的成因及防治 中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司高沁高速公路LJ5標(biāo) 奉俊輝 摘 要 針對(duì)混凝土容易產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，在分析其成因的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同原因的裂縫，提出相應(yīng)的處理與控制措施。 關(guān)鍵詞 裂縫； 成因； 處理； 控制措施 1 前言 大體積混凝土裂縫問(wèn)題是當(dāng)前混凝土施工的一個(gè)普遍問(wèn)題，裂縫不僅會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度、抗凍性，對(duì)混凝土的抗?jié)B性和耐久性影響也尤為嚴(yán)重。大體積混凝土裂縫問(wèn)題的研究已成為現(xiàn)代建筑施工的一項(xiàng)主要課題，也是大體積混凝土施工的核心問(wèn)題。大體積混凝土因其厚度大、溫升高的特點(diǎn)，產(chǎn)生裂縫的主要原因與普通混凝土不同，本文主要針對(duì)這一特點(diǎn)分析其裂縫產(chǎn)生機(jī)理，提出施工預(yù)防措

2、施，進(jìn)行合理的施工設(shè)計(jì)，防止大體積混凝土有害裂縫的產(chǎn)生。 2 大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因 大體積混凝土因外部荷載作用產(chǎn)生裂縫的可能性不大，一般由自身因素造成混凝土裂縫，裂縫可分為“塑性裂縫”和“應(yīng)力裂縫”兩種。 2.1 產(chǎn)生塑性裂縫的原因 塑性裂縫由混凝土的塑性收縮引起，發(fā)生在混凝土的塑性階段，屬干縮裂縫，出現(xiàn)很普遍。一般來(lái)說(shuō)，厚度較大的混凝土澆筑4h后，水泥水化反應(yīng)激烈，出現(xiàn)明顯泌水和水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象，引起混凝土沉降收縮，在有鋼筋的部位被托住，沒(méi)有鋼筋的部位混凝土下沉，發(fā)生順?shù)摻畹母闪芽p；混凝土澆筑后，表面未及時(shí)覆蓋，受風(fēng)吹日曬，表面游離水分蒸發(fā)過(guò)快，產(chǎn)生急劇的體積收縮，而此時(shí)混凝土早期強(qiáng)度

3、低，不能抵抗這種變形應(yīng)力而導(dǎo)致開(kāi)裂。使用早期強(qiáng)度高的水泥或水泥用量過(guò)多、水灰比過(guò)大等也是混凝土產(chǎn)生塑性裂縫的原因。 2.2 產(chǎn)生應(yīng)力裂縫的原因 應(yīng)力裂縫是在某一時(shí)刻因混凝土內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)收縮、干燥收縮、降溫收縮使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)了當(dāng)時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度，使混凝土形成裂縫。對(duì)于大體積混凝土，因降溫收縮產(chǎn)生的應(yīng)力是其產(chǎn)生裂縫的最重要原因。 2.2.1 化學(xué)收縮 化學(xué)收縮由膠凝材料收縮引起，混凝土中膠凝材料在硬化過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)后的體積比反應(yīng)前縮小，這種收縮叫做化學(xué)收縮，其收縮量只是干燥收縮的101/，一般不會(huì)產(chǎn)生危害。 2.2.2 干燥收縮 混凝土拌和水以不同形式存在于硬化后的混凝土中，拌和

4、水包括化合水和自由水兩部分?；纤撬噙M(jìn)行水化作用時(shí)所必須的水，要有足夠的化合水才能保證水泥顆粒的充分水化和水解，生成結(jié)晶和凝膠，這部分水僅占拌和水的1/4，而自由水完全是為了滿足施工及操作需要的水?；炷劣不蠡纤谡Ｊ褂脳l件下不參與同外界濕度交換，自由水以吸附水、毛細(xì)管水和孔隙水的形式存在。當(dāng)混凝土處于干燥環(huán)境中時(shí)，首先是大空隙及粗毛細(xì)孔中的自由水分蒸發(fā)，這種失水不引起收縮；然后毛細(xì)孔、微毛細(xì)孔中水的蒸發(fā)，使細(xì)孔中形成負(fù)壓，隨著干燥作用的加劇，負(fù)壓逐漸增大，水泥石受壓而形成壓縮變形，構(gòu)成混凝土收縮變形的一部分；在毛細(xì)孔水蒸發(fā)后，如繼續(xù)干燥，物理-化學(xué)結(jié)合的吸附水，包括晶格間水分和分子

5、層中的吸附水先后蒸發(fā)，這種失水引起顯著的水泥石壓縮，是收縮變形的主要部分。干燥收縮受環(huán)境濕 度影響最大，還同水泥品種、水泥用量、水灰比、環(huán)境溫度、摻合料品種、配筋率有關(guān)。 2.2.3 降溫收縮 混凝土澆筑后，膠凝材料水化過(guò)程中放出大量熱量，因混凝土表面的散熱條件遠(yuǎn)比其內(nèi)部散熱條件好，從而使混凝土中心溫度高于混凝土表面溫度，形成溫度梯度，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和溫度變形，當(dāng)這種溫度應(yīng)力和其他應(yīng)力的合力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。在一定尺寸范圍內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越 大，內(nèi)外溫差越大，溫度應(yīng)力也越大，引起裂縫的幾率也越大。 混凝土降溫階段熱量逐漸蒸發(fā)，混凝土溫度逐漸下降，使混凝土體積逐漸產(chǎn)生收縮

6、，當(dāng)混凝土收縮受到地基、墊層或結(jié)構(gòu)邊界的外部約束時(shí)，在混凝土中產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力和其他應(yīng)力疊加超過(guò)混凝土的抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，混凝土的底面交界處附近甚至在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，這種裂縫特征是由交界面向上延伸，靠近基底最大，上部較小，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生貫穿整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的貫穿性裂縫。通常大體積 混凝土的降溫差較大，其形成的收縮變形也就很大。 3 大體積混凝土裂縫的預(yù)防措施 3.1 優(yōu)化大體積混凝土配合比設(shè)計(jì) 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)是降低混凝土升溫、減少混凝土沉降收縮的最有效途徑，可采用以下幾種方法實(shí)現(xiàn)： 3.1.1 選用適宜品種的水泥 大體積混凝土宜選用水化熱低、水化熱不集中的水泥品種。在條件允許

7、的情況下應(yīng)優(yōu)先選用礦渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥或復(fù)合水泥。 水泥中水化熱的大小、水化熱的集中程度和水泥中熟料組份、水泥的細(xì)度及顆粒分布情況有密切關(guān)系。水泥熟料中的硅酸二鈣水化速度快，水化熱大；鋁酸三鈣水化速度最快，水化熱最大；水泥的比表面積越大，水泥的水化速度越快，放熱量集中，很容易產(chǎn)生比較大、較為嚴(yán)重的裂縫；水泥的顆粒分布過(guò)于集中，很難與混凝土中粗細(xì)骨料組成混凝土大系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)而又合理的級(jí)配，使混凝土在微觀上抗拉能力變差。因 此，當(dāng)需要嚴(yán)格控制水泥水化熱時(shí)，應(yīng)查看水泥的組分和物理特性，進(jìn)行試驗(yàn)確定其可用性。 3.1.2 增加粉煤灰摻量，使用高效減水劑 在混凝土中摻加粉煤灰不僅能使混凝土具有

8、較好的和易性、可泵性、抗?jié)B性、抗離析性，減少沁水現(xiàn)象發(fā)生，有利于混凝土表面處理，而且對(duì)混凝土強(qiáng)度，特別是對(duì)后期強(qiáng)度有較大的作用。實(shí)踐證明，每摻加10kg粉煤灰替代等量的水泥，混凝土的溫升可降低1。因此，增加混凝土中的粉煤灰摻量是減少水泥用量、降低混凝土中膠凝材料水化熱的一種有效措施?；炷林袚郊訙p水劑，能保持混凝土工作性質(zhì)不變而顯著降低水灰比、改善和易性，并能減少10%20%的水泥用量，降低水化熱量，減緩水化速度?；炷林袚郊泳從蜏p水劑，還可推遲初凝時(shí)間，減緩澆筑速度和溫度以利散熱。目前的高效減水劑可以減水20%25% ，能有效地降低水膠比、減少水化熱，對(duì)減少混凝土澆筑后的塑性收縮和溫度收縮

9、有重大意義。 3.1.3 摻入有膨脹組份的外加劑 在混凝土中摻加微膨脹劑，補(bǔ)償一部分混凝土的收縮，從而放寬溫差的限制。以UEA為例，將10%12%內(nèi)摻水泥中，可拌制成補(bǔ)償收縮混凝土，其限制膨脹率為0.02%0.04%，在鋼筋和鄰位約束下，可在混凝土中建立0.2MPa0.7MPa的預(yù)應(yīng)力，這一預(yù)應(yīng)力大致可抵消混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)不裂或控制在無(wú)害裂縫范圍內(nèi)。 3.1.4 增加混凝土中粗骨料的用量 給混凝土增加骨架也是防止裂縫產(chǎn)生的一個(gè)有效措施。骨料用量多了，膠凝材料用量就會(huì)相對(duì)降低，膠凝材料產(chǎn)生的水化熱也會(huì)降低。 3.2 設(shè)計(jì)合理的養(yǎng)護(hù)措施 采取合理的養(yǎng)護(hù)措施是在澆筑后預(yù)防混凝

10、土大體積混凝土裂縫的最重要措施。提高養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度可以避免混凝土因表面干裂而產(chǎn)生塑性收縮。適當(dāng)提高養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度有利于減少內(nèi)外溫差、緩解降溫速度，從而減少溫度應(yīng)力，也有利于混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)和應(yīng)力松弛發(fā)揮作用，在混凝土早期抗拉強(qiáng)度還不高時(shí)能盡量避免出現(xiàn)裂縫。大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。一般混凝土溫差最大值應(yīng)出現(xiàn)在澆筑后7d之前。但實(shí)踐表明，大體積混凝土7d21d混凝土平均溫差往往大于1d7d的數(shù)值，且最大值也并未出現(xiàn)在前7d。原因是雖然混凝土水化熱高峰已過(guò)，但其內(nèi)部仍積蓄著很大的熱量，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于空氣，散熱速度不如空氣快，深層溫度大熱量散失慢，溫度降幅小，而表面熱量散失快，溫度降幅大，

11、隨著齡期延長(zhǎng) 日趨環(huán)境溫度，因而形成溫差不斷增大的現(xiàn)象。 研究表明，初期養(yǎng)護(hù)并不能阻止以后干縮的發(fā)生，但可以推遲干縮的出現(xiàn)，可在混凝土早期抗拉強(qiáng)度 不高的情況下防止干縮和冷縮（降溫收縮）過(guò)早疊加。 3.3 改善約束條件 在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面采取一些必要的措施來(lái)改善混凝土的內(nèi)外約束， 有利于預(yù)防大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生。 3.3.1 增設(shè)后澆帶 當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大時(shí)，可在大體積混凝土中增設(shè)后澆帶以減少外約束應(yīng)力。 3.3.2 設(shè)置滑移層和緩沖層 對(duì)于大體積混凝土基礎(chǔ)，為了減少因混凝土收縮時(shí)受地基阻力約束而在混凝土中形成的拉應(yīng)力，在澆筑混凝土前，可在基礎(chǔ)墊層與混凝土基礎(chǔ)之間設(shè)置瀝青油氈或其他類似的材料作

12、為滑移層，以減少大體積混凝土的外約束。在混凝土基礎(chǔ)的某些部位設(shè)置緩沖層，可以緩解地基對(duì)基礎(chǔ)收縮時(shí)的側(cè)壓力，減少地基的約束作用。 3.3.3 設(shè)置增強(qiáng)配筋 在容易開(kāi)裂部位配置斜向鋼筋或鋼筋網(wǎng)片，并配置一定數(shù)量的抗裂鋼筋，可顯著提高混凝土的抗裂性能。在孔洞周圍，斷面轉(zhuǎn)角處等宜增配斜向鋼筋、鋼筋網(wǎng)片，可避免因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫。3.4 其他施工措施 在混凝土澆筑施工過(guò)程中可采取有效的技術(shù)措施減少大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生。 3.4.1 降低混凝土澆筑溫度 施工中可采用降低水和骨料的溫度的方法降低混凝土的澆筑溫度，必要時(shí)可采用冰水?dāng)嚢杌炷?，是降低混凝土溫升的一種較為有效的措施。施工中還可以采用減少裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)

13、次數(shù)、給混凝土泵搭遮陽(yáng)篷、在混凝土泵管上覆蓋濕麻袋等輔助措施來(lái)降低混凝土澆筑溫度。 3.4.2 采用二次振搗工藝 二次振搗可減少混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部產(chǎn)生水份和空隙，提高混凝土和鋼筋間的握裹力，防止因混凝土沉降收縮產(chǎn)生的裂縫，還可以減少內(nèi)部微裂縫，增加混凝土密實(shí)度，從而有效地提高抗裂性。 3.4.3 薄層澆筑 在澆筑時(shí)宜采用薄層澆筑的方法，增加混凝土的散熱機(jī)會(huì)，以降低混凝土溫升。 3.4.4 在混凝土表面撒石子 大體積混凝土表面水泥漿較厚，混凝土澆筑后可在表面均勻撒上一層薄薄的小石子，在混凝土澆筑后4h8h內(nèi)用長(zhǎng)刮尺刮平，初凝前用鐵滾碾壓，再用木抹子搓平壓實(shí)，以控制混凝土表面裂縫。3.4.5 投 石法 在設(shè)計(jì)允許的情況下可向大體積混凝土中投入15%20%的潔凈塊石，減少水泥在整個(gè)混凝土構(gòu)件中的含量，可有效地減少混凝土溫升。投塊石時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按混凝土流淌坡度分層填，同層間距至少在200mm以上，使塊石均勻分布在混凝土內(nèi)層。 3.4.6 在混凝土中埋設(shè)水管冷卻混凝土 這種工藝是在大體積混凝土中埋設(shè)水管，混凝土澆筑后，利用向水管中注入溫度較低的水（一般使用循環(huán)水）帶走混凝土中的熱量，從而降低混凝土內(nèi)部溫度。此種方法對(duì)降低大體積混凝土，尤其是超大體積混凝土溫升和內(nèi)外溫差非常有效，但其成本較高，市價(jià)操作起來(lái)也比較復(fù)雜，一般情況下不采用。 4 結(jié)